2020 Fiscal Year Research-status Report
球状微生物及びマイクロカプセルに対する超音波キャビテーションのフィルタ効果
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18K04036
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
山本 健 関西大学, システム理工学部, 教授 (10370173)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 超音波キャビテーション / プランクトン / マイクロカプセル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大きさが数から数百μmの球状微生物（菌類やプランクトン等）を懸濁した水中で，数百kHzから数MHzの高周波超音波を用いてキャビテーションを発生させると，一般的な数十kHzの超音波ホモジナイザーより高効率に微生物の細胞を破壊できることを発見している．細胞の破壊効率には周波数依存性があり，微生物の種類によって異なることを見出している．さらには，数μmから数十μmのマイクロカプセルの破壊実験においてもサイズや球殻の厚みに起因する周波数依存性を確認している．この結果を踏まえて，数百kHz~数MHzの高周波超音波を照射した際の球状微生物及びマイクロカプセルのサイズ分布評価（粒子径分布測定装置）による破壊過程の解明，球状物体の弾性率測定（走査型プローブ顕微鏡）及びそれらを用いた破壊メカニズムの実験的・理論的解明を目指している．さらには，多分散粒子系におけるサイズ選択的超音波破壊による粒径フィルタ効果の達成を本研究の目的としている. 当該年度は，球状物体のずり応力破壊モデルに関して，実験的・理論的検証を主に行った．正弦的圧力変化場における半径の異なる気泡の振動変位・速度の時間変化を計算し，気泡近傍におけるずり応力を理論的に求めた．また，その周波数依存性も理論的に見積もった．結果，球殻共振モデルだけではなく，ずり応力破壊モデルにおいても異なるサイズの球状物体の破壊には周波数依存性があることが分かった．実験的にもその検証を行なった．一方，サイズは大きくは異ならないが，細胞構造の異なる菌類の不活性化実験において，その異なる周波数依存性を利用することにより，選択的に一方の菌類だけを不活性化することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
現在までの進捗状況は，マイクロカプセルの球殻共振モデルによる破壊メカニズムの理論的解明を行ない，実験結果をある程度説明できる結果を得た．しかし，共振だけでは説明できない周波数依存性も確認できたため，ずり応力破壊モデルの理論的検証も行なってきた．理論的な計算には，弾性率等の物性が必要であったため，走査型プローブ顕微鏡のフォースカーブモードで測定を試みた．また，球殻だけではなく，球体サンプルを対象とした超音波キャビテーション処理を行なったところ，共振やずり応力による破壊とは異なった表面状態を確認した．油脂を内包した多分散のマイクロカプセルの超音波破実験を行い，粒子系分布測定装置及び走査型電子顕微鏡で観察・解析することにより，実験的な側面からも破壊のメカニズムの解明を目指した．超音波の周波数を変化させると，水中内の気泡サイズ分布も変化するが，気泡サイズによって極近傍に与えるずり応力及び圧力変化が大きく異なることが理論的に分かった．また，気泡サイズだけではなく，破壊対象のカプセルサイズによっても，ずり応力が効果的なのか，圧力変化が効果的なのかを予想することができるようになった．実験的にもその傾向は検証できつつある．また，気体を包み込んだマイクロカプセルに関しても同様に，超音波キャビテーションによる破壊の周波数依存性を把握する実験を行なった．ある程度の周波数依存性は把握できたが，カプセルが液面に凝集するため，実験的工夫が必要な状態である．また，大きさが数から数百μmの海洋性プランクトンを対象とした超音波処理実験も行なったが，季節や採取エリアによってプランクトンの種類やサイズが異なるため，複数回の実験を行なえていない．
全体を通して，コロナ禍による実験時間が不足し，サンプルの入手状況が不安定であり，1年を通じた計画的な研究が困難であった．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の方針は，昨年度に計画的に進展しなかった多分散粒子系における選択的超音波破壊を主に行っていく．そのためには，数μmから数百μmの多分散の液体内包マイクロカプセル，気体内包マイクロカプセル及びプランクトンを入手することが必要となる．困難な場合には，スターチ等の入手が容易なサンプルを対象として超音波照射実験を行う予定である．ただし，破壊モデルはずり応力や圧力変化ではなく，マイクロジェットを考える必要がある．一方，昨年度に進展したずり応力及び圧力変化の理論的な計算をさらに進め，超音波周波数，気泡サイズ及び破壊対象のサイズによって，どの破壊モデルが優位に働くかを検証する予定である．コロナ禍によって実験が困難な場合には，理論的に破壊モデルの検証を進める．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍で実験試料及び消耗品の購入が少なかったため当該助成金が生じた.本助成金は物品費として実験試料に使用する予定である.
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